Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thuật toán PID - Thích nghi dùng mạng Nơ-ron điều khiển hệ con lắc ngược đơn

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Thuật toán PID - Thích nghi dùng mạng Nơ-ron điều khiển hệ con lắc ngược đơn" là nghiên cứu giải thuật điều khiển thông minh cho các hệ thống phi tuyến dựa trên kỹ thuật PID và Neural Network; ứng dụng giải thuật PID thích nghi dựa trên mạng Nơ-ron để điều khiển thực nghiệm hệ con lắc... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thuật toán PID - Thích nghi dùng mạng Nơ-ron điều khiển hệ con lắc ngược đơn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HOÀNG HIẾU THUẬT TOÁN PID – THÍCH NGHI DÙNG MẠNG NƠ-RON ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC ĐƠN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã chuyên ngành: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh. Người hướng dẫn khoa học: Tiến sỹ Mai Thăng Long Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 01 năm 2021 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. ......................................................................... - Chủ tịch Hội đồng 2. ......................................................................... - Phản biện 1 3. ......................................................................... - Phản biện 2 4. ......................................................................... - Ủy viên 5. ......................................................................... - Thư ký (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CN ĐIỆN TỬ
BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Hoàng Hiếu MSHV: 18105181 Ngày, tháng, năm sinh: 16/12/1976 Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã chuyên ngành: 8520203 I. TÊN ĐỀ TÀI: “Thuật toán PID – thích nghi dùng mạng nơ-ron điều khiển hệ con lắc ngược đơn.” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu thuật toán điều khiển thích nghi bám Thiết kế và mô phỏng thuật toán điều khiển PID thích nghi dùng mạng nơ-ron cho hệ con lắc ngược đơn Thực nghiệm thuật toán trên mô hình và đánh giá kết quả. II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Thực hiện Quyết định số 841/QĐ-ĐHCN ngày 10/07/2020 của Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh về việc giao đề tài và cử người hướng dẫn luận văn thạc sỹ III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/01/2021 IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sỹ Mai Thăng Long Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 01 năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA CN ĐIỆN TỬ
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của cán bộ hướng dẫn, của các đồng nghiệp nơi tôi học tập và công tác. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy hướng dẫn Ts. Mai Thăng Long đã trực tiếp hướng dẫn tôi bằng cả tâm huyết trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, tập thể Bộ môn Điện tử tự động, khoa Công nghệ Điện Tử, trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng là lời cảm ơn sự ủng hộ, động viên khích lệ của gia đình thân yêu để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập. . i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn này trình bày về việc xây dựng giải thuật điều khiển PID thích nghi dùng mạng nơ-ron bám tín hiệu sin cho hệ con lắc ngược quay. Các giải thuật Swing-up, thuật toán PID, thuật toán thích nghi dùng mạng nơ-ron được thực hiện trong mô phỏng và thực nghiệm. Thuật toán điều khiển thích nghi bám được xây dựng dựa trên lật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa và lý thuyết ổn định Lyapunov cho kết quả tốt trong thực nghiệm. Kết quả đạt được có tính ứng dụng và mở rộng cho các mô hình hệ dưới bậc khác và các luật điều khiển thích nghi tối ưu, thích nghi bền vững. ii
ABSTRACT This thesis presents the construction of adaptive PID control algorithm using a sine- based neural network for the rotating inverting pendulum system. Swing-up algorithms, PID algorithm, neural network adaptation algorithm are performed in simulation and experiment. The adaptive control algorithm is built based on the feedback linearization control and Lyapunov's stability theory with good results in experiment. The results obtained are applicable and extended to other subordinate system models and optimal adaptive, sustainable adaptive control laws. iii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Học viên Nguyễn Hoàng Hiếu iv
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................ ii ABSTRACT .............................................................................................................. iii LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv MỤC LỤC ...................................................................................................................v DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................x MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...............................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................2 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................................2 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ....................................................................................2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .............................3 1.1 Giới thiệu đề tài ....................................................................................................3 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ...........................................................................4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................6 2.1 Mô hình con lắc ngược quay ................................................................................6 Mô hình phần cứng ..........................................................................................6 Phương trình động lực học của hệ thống .........................................................7 Thông số mô hình ...........................................................................................12 2.2 Phương pháp điều khiển PID ..............................................................................12 2.3 Điều khiển tuyến tính hóa hồi tiếp cho hệ phi tuyến ..........................................14 2.4 Mạng Nơ-ron (Neural Network - NN) ...............................................................17 Khái niệm .......................................................................................................17 Mạng nhiều lớp ..............................................................................................18 Đặc tính xấp xỉ hàm tổng quát của mạng nơ-ron ...........................................19 v
2.5 Điều khiển thích nghi .........................................................................................20 Điều khiển thích nghi dạng gián tiếp .............................................................21 Điều khiển thích nghi dạng trực tiếp ..............................................................23 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................25 3.1 Bộ điều khiển Swing up – PD ............................................................................25 Bộ điều khiển Swing up .................................................................................25 Bộ điều khiển PD ...........................................................................................26 Thực hiện mô phỏng ......................................................................................28 3.2 Bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa .................................................................29 Thiết kế bộ điều khiển ....................................................................................29 Thực hiện mô phỏng ......................................................................................33 3.3 Bộ điều khiển thích nghi .....................................................................................35 Thiết kế bộ điều khiển ....................................................................................35 Thực hiện mô phỏng ......................................................................................38 3.1 Bộ điều khiển thích nghi dạng trực tiếp .............................................................41 Thiết kế bộ điều khiển ....................................................................................41 Thực hiện mô phỏng ......................................................................................44 CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH..............................................47 4.1 Xây dựng chương trình thực nghiệm ..................................................................47 4.2 Kết quả thực nghiệm...........................................................................................48 Bộ điều khiển Swing up – PD ........................................................................48 Bộ điều khiển thích nghi gián tiếp .................................................................50 Bộ điều khiển thích nghi dạng trực tiếp .........................................................58 Đánh giá kết quả .............................................................................................64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................67 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .........................................................70 vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Cấu trúc mô hình dùng cho thực nghiệm .....................................................6 Hình 2.2 Sơ đồ mô tả chuyển động con lắc ngược quay ............................................7 Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển PID .................................................................................13 Hình 2.4 Mô tả tế bào thần kinh ................................................................................17 Hình 2.5 Cấu trúc mạng truyền thẳng 3 lớp ..............................................................18 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển Swing up – PID cho hệ ..................................................25 Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng điều khiển Swing – PD ...................................................28 Hình 3.3 Đáp ứng của hệ khi tín hiệu sin tần số ω = 0.5 rad/s .................................28 Hình 3.4 Đáp ứng của hệ khi tín hiệu xung vuông tần số ω = 0.5 rad/s ...................29 Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển tuyến tính hóa hồi tiếp....................................................32 Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng giải thuật hồi tiếp tuyến tính ngõ ra ................................33 Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tuyến tính hồi tiếp ....................................33 Hình 3.8 Đáp ứng của hệ khi tín hiệu sin tần số ω = 1 rad/s ....................................34 Hình 3.9 Đáp ứng của hệ khi tín hiệu sin tần số ω = 1 rad/s có nhiễu đo .................34 Hình 3.10 Sơ đồ thực hiện điều khiển thích nghi dùng mạng neuron ......................37 Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng Simulink giải thuật thích nghi gián tiếp .......................38 Hình 3.12 Sơ đồ mô phỏng mạng neuron cho hàm F ...............................................38 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi gián tiếp .............................39 Hình 3.14 Kết quả mô phỏng ước lượng hàm G .......................................................39 Hình 3.15 Kết quả mô phỏng ước lượng hàm F .......................................................40 Hình 3.16 Kết quả mô phỏng điều khiển IAC khi có nhiễu đo lường ......................40 Hình 3.17 Sơ đồ thực hiện điều khiển thích nghi dùng mạng neuron trực tiếp ........44 Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng Simulink giải thuật thích nghi trực tiếp ........................44 Hình 3.19 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi trực tiếp ..............................45 Hình 3.20 Kết quả mô phỏng ước lượng mạng NN cho F/G ....................................45 Hình 3.21 Kết quả mô phỏng điều khiển thích nghi DAC khi có nhiễu đo ..............46 Hình 4.1 Sơ đồ thu thập dữ liệu và điều khiển hệ con lắc ........................................47 Hình 4.2 Kết quả mô phỏng điều khiển Swing up – PID ổn định điểm cân bằng ....48 Hình 4.3 Kết quả thực nghiệm điều khiển PID bám tín hiệu sint có nhiễu ..............49 Hình 4.4 Bộ điều khiển thích nghi ước lượng thông số mô hình trục tuyến.............50 Hình 4.5 Kết quả đáp ứng tay máy IDA ổn định tại điểm cân bằng .........................51 Hình 4.6 Kết quả đáp ứng con lắc khi IDA ổn định tại điểm cân bằng ....................51 Hình 4.7 Tín hiệu điều khiển IDA hệ ổn định tại điểm cân bằng .............................52 Hình 4.8 Kết quả ước lượng F(q) và norm1 trọng số mạng ......................................52 Hình 4.9 Kết quả ước lượng F(q) và norm1 trọng số mạng ......................................53 Hình 4.10 Kết quả đáp ứng thực nghiệm IDA tay máy với ngõ vào xung vuông ....54 vii
Hình 4.11 Kết quả đáp ứng vị trí con lắc với ngõ vào xung vuông ..........................54 Hình 4.12 Tín hiệu điều khiển thích nghi với ngõ vào xung vuông .........................55 Hình 4.13 Ngõ ra xấp xỉ thích nghi của hàm F và G với tín hiệu vào xung .............55 Hình 4.14 Kết quả đáp ứng tay máy IAD với ngõ vào tín hiệu sin ..........................56 Hình 4.15 Kết quả đáp ứng vị trí con lắc với ngõ vào tín hiệu sin ...........................56 Hình 4.16 Tín hiệu điều khiển IAD với ngõ vào sin .................................................57 Hình 4.17 Ngõ ra xấp xỉ thích nghi IAD hàm F và G với tín hiệu vào sin ...............57 Hình 4.18 Sơ đồ điều khiển Real-time cho điều khiển thích nghi trục tiếp ..............59 Hình 4.19 Đáp ứng tay máy ổn định tại vị trí cân bằng ............................................59 Hình 4.20 Đáp ứng con lắc điều khiển ổn định tại vị trí cân bằng ...........................59 Hình 4.21 Tín hiệu điều khiển ổn định tại vị trí cân bằng u .....................................60 Hình 4.22 Ngõ ra xấp xỉ uce và trọng số mạng nơ-ron điều khiển ổn định ...............60 Hình 4.23 Đáp ứng tay máy bám theo tín hiệu sin ...................................................61 Hình 4.24 Đáp ứng con lắc bám theo theo tín hiệu sin .............................................61 Hình 4.25 Tín hiệu điều khiển bám theo tín hiệu sin u .............................................61 Hình 4.26 Ngõ ra xấp xỉ uce điều khiển bám tín hiệu sin ..........................................62 Hình 4.27 Đáp ứng tay máy bám theo tín hiệu xung vuông .....................................62 Hình 4.28 Đáp ứng con lắc bám theo theo tín hiệu xung vuông...............................62 Hình 4.29 Tín hiệu điều khiển bám theo tín hiệu xung vuông .................................63 Hình 4.30 Ngõ ra xấp xỉ uce điều khiển bám tín hiệu xung vuông ............................63 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thông số hệ thống RIP .......................................................................8 Bảng 2.2 Bảng các giá trị tham số dùng mô phỏng ..................................................12 ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AGN Additive Gaussian noise AMC Advanced motion controls DAQ Data acquisition board DOF Degrees of freedom FJR Flexible joint robot IAE Integral of absolute error IAC Indirect adaptive control ISE Integral of squared error LQR Linear quadratic regulator MIMO Multi-input–multi-output PC Personal computer PD Proportional derivative PI Proportional integral PID Proportional-integral-derivative PWM Pulse-width modulation RMS Root mean square SISO Single-input–single-output UUB Uniformly ultimately bounded x
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Vấn đề tìm kiếm một luật điều khiển hiệu quả cho hệ thống có số cơ cấu chấp hành ít hơn số bậc tự do cần điều khiển thu hút sự chú ý ngày càng tăng vì đặc tính đặc biệt của nó. Hệ có số cơ cấu chấp hành ít hơn số bậc tự do xuất hiện ngày càng nhiều trong các ứng dụng, chẳng hạn như các robot trong lĩnh vực hàng không vũ trụ hay các robot hoạt động dưới nước. Với sự có mặt của khớp tự do có cơ cấu chấp hành và khớp tự do không có cơ cấu chấp hành khiến cho việc điều khiển theo cách thông thường không thể kiểm soát tốt các ngõ ra theo mong muốn. Do đó, hệ này không thể điều khiển bám theo tín hiệu đặt một cách tùy ý. Con lắc ngược quay là một mô hình không mới, từ xưa đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về mô hình này. Tuy nhiên đây vẫn là một mô hình phi tuyến có số ngõ vào ít hơn số ngõ ra kinh điển, được dùng để kiểm chứng các giải thuật, bao gồm các thuật toán từ kinh điển đến hiện đại. Các kết quả thu được đều có những ưu điểm và hạn chế. Hơn nữa, xuất phát từ ý tưởng áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại vào điêu khiển đối tượng thật và việc tiếp cận được một số tài liệu về điều khiển thích nghi tối ưu, bền vững và các bộ điều khiển chuyển tiếp đã thúc đẩy bản thân tôi thực hiện đề tài điều khiển hệ dưới bậc bằng cách thực hiện các bộ điều khiển cổ điển như PID, PID - thích nghi, tối ưu cho hệ dưới bậc điển hình là hệ con lắc ngược quay cho luận văn cao học của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu giải thuật điều khiển thông minh cho các hệ thống phi tuyến dựa trên kỹ thuật PID và Neural Network. - Ứng dụng giải thuật PID thích nghi dựa trên mạng Nơ-ron để điều khiển thực nghiệm hệ con lắc. 1
- Đánh giá và so sánh hiệu quả của phương pháp đề xuất với các kỹ thuật điều khiển khác. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Các giải thuật PID thích nghi. • Phương pháp điều khiển dùng mạng Neural. • Sử dụng Matlab để mô phỏng giải thuật điều khiển. • Thực nghiệm giải thuật điều khiển đề xuất dựa trên mô hình con lắc ngược. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu, nghiên cứu các công trình có liên quan. - Thực hiện các nghiên cứu theo định hướng của cán bộ hướng dẫn đề tài. - Thử nghiệm các phương pháp điều khiển khác nhau trên mô hình mô phỏng hệ thống. - Lập bảng so sánh các kết quả nghiên cứu đạt được và rút ra kết luận. - Cài đặt và thử nghiệm thuật toán trên mô hình thực 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Đề xuất phương pháp điều khiển hệ phi tuyến dưới bậc khi chưa biết chính xác thông số mô hình hay bị thay đổi trong quá trình vận hành, cải thiện chất lượng điều khiển cho hệ phi tuyến bằng giải thuật điều khiển thông minh. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Giới thiệu đề tài Ngày nay có rất nhiều phương pháp được sử dụng để điều khiển hệ phi tuyến như: phương pháp điều khiển cổ điển (PID, phương pháp tuyến tính hóa, điều khiển trượt, cuốn chiếu, …), phương pháp điều khiển hiện đại (tối ưu, thich nghi, bền vững, …) và phương pháp điều khiển thông minh (điều khiển dùng mạng thần kinh, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi hoặc các thuật toán tối ưu bầy đàn, giải thuật di truyền…). Tuy nhiên, các giải thuật điều khiển muốn đạt được kết quả tốt đều phải dựa vào vào kỹ thuật điều khiển PID. …các luật điều khiển cần phải có ít nhất một khâu điều khiển dựa vào sai số. Phương pháp điều khiển được đề xuất tập trung vào việc nghiên cứu, phân tích và ứng dụng hiệu quả của kỹ thuật điều khiển PID. Để cải thiện hiệu quả phương pháp PID, việc hiệu chỉnh các giá trị độ lợi các khâu P, D, I rất quan trọng. Hơn nữa, trong quá trình điều khiển hệ phi tuyến, có rất nhiều yếu tố không chắc chắn tác động vào hệ thống làm hệ thống mất ổn định. Việc chọn cố định các thông số PID thì không thích hợp trong trường hợp này. Vì vậy, phương pháp đề xuất tập trung vào việc tìm giải thuật thích nghi để cập nhật các độ lợi của bộ điều khiển PID. Ngoài ra, để giải quyết vấn đề về các thành phần không biết, không chắc chắn luôn xuất hiện trong hệ thống điều khiển (nhiễu, thông số mô hình hệ thống không chắc chắn, các thay đổi không biết trước, …), phương pháp đề xuất sẽ ứng dụng mạng Nơ ron và kỹ thuật thích nghi bền vững. Các phương pháp điều khiển hiện đại kết hợp như điều khiển tối ưu - thích nghi, điều khiển tối ưu - bền vững cũng được áp dụng mạnh mẽ trong các hệ thống điều khiển phi tuyến. hơn so với trên đối tượng tuyến tính. Các hệ thống có số ngõ vào bằng số ngõ ra sẽ đơn giản hơn so với các hệ thống có số ngõ vào ít hơn so với ngõ ra, tức là tồn tại một ngõ ra tự do, không bị điều khiển trực tiếp, ngõ ra này được điều khiển gián tiếp tuỳ theo đối tượng. Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống điều khiển kinh điển, nó được sử dụng trong giảng dạy và nghiên cứu ở hầu hết các trường đại học 3
trên khắp thế giới. Hệ thống con lắc ngược là mô hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao. Đây là một hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình vì chỉ gồm một ngõ vào là lực tác động cho động cơ mà phải điều khiển cả vị trí và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (ít nhất hai ngõ ra). Ngoài ra, phương trình toán học được đề cập đến của con lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình. Vì thế, đây là một mô hình nghiên cứu lý tưởng cho các phòng thí nghiệm điều khiển tự động. Các giải thuật hay phương pháp điều khiển được nghiên cứu trên mô hình con lắc ngược nhằm tìm ra các giải pháp tốt nhất trong các ứng dụng điều khiển thiết bị tự động trong thực tế. Tổng quan tình hình nghiên cứu Vấn đề tìm kiếm một luật điều khiển hiệu quả cho hệ thống có số cơ cấu chấp hành ít hơn số bậc tự do cần điều khiển thu hút sự chú ý ngày càng tăng vì đặc tính đặc biệt của nó. Hệ có số cơ cấu chấp hành ít hơn số bậc tự do xuất hiện ngày càng nhiều trong các ứng dụng, chẳng hạn như các robot trong lĩnh vực hàng không vũ trụ haycác robot hoạt động dưới nước. Với sự có mặt của khớp tự do có cơ cấu chấp hành và khớp tự do không có cơ cấu chấp hành khiến cho việc điều khiển theo cách thông thường không thể kiểm soát tốt các ngõ ra theo mong muốn. Do đó, hệ này không thể điều khiển bám theo tín hiệu đặt một cách tùy ý. Con lắc ngược đơn là một mô hình không mới, từ xưa đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về mô hình này. Tuy nhiên đây vẫn là một mô hình phi tuyến có số ngõ vào ít hơn số ngõ ra kinh điển, được dùng để kiểm chứng các giải thuật, bao gồm các thuật toán từ kinh điển đến hiện đại. Các kết quả thu được đều có những ưu điểm và hạn chế. Các giải thuật kinh điển được thiết kế và thực hiện khá nhiều ở các công trình như, tác giả Nguyễn Văn Đông Hải, Ngô Văn Tuyên xây dựng bộ PID-Neuron điều khiển trực tiếp phải thêm bộ bù PID, kĩ thuật trên không yêu cầu biết trước mô hình toán học hệ thống; Người thiết kế bộ điều khiển cần có kinh nghiệm và thời gian thử sai để có được bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, hệ thống chỉ hoạt động tốt quanh điểm làm việc tĩnh. Stelian – Emilian Oltean [1] [2], đã đề xuất bộ điều khiển PD và fuzzy- PD để điều khiển swing-up và ổn định cho hệ con lắc ngược (rotary inverted 4
pendulum – RIP), nhóm tác giả Minho Park, Yeoun Jae Kim, Ju Jang Lee sử dụng LQR điều khiển swing-up và ổn định hệ RIP [3] [4] [5] . Nhóm tác giả Nguyễn Văn Khanh, Nguyễn Vĩnh Hảo đã thiết kế bộ điều khiển cuốn chiếu theo luật điều khiển trong Tsai & Lin (2003), cho kết quả khả quan [6]. Tuy nhiên các phương pháp trên có những điểm yếu như nếu không biết chính xác thông số vật lý, hay mô hình toán không chính xác thì dẫn đến việc thiết kế bộ điều khiển vô cùng khó khăn. Các thông số điều khiển được thực hiện bằng phương pháp thử sai. Thông thường để xác định các thông số điều khiển đúng cần phải hiểu rõ đặc tính động học của hệ và thử sai rất nhiều lần và tốn kém. Trong phương pháp điều khiển LQR phải nhận dạng chính xác mô hình hệ thống mới có đáp ứng tốt. Tuy nhiên, chất lượng điều khiển sẽ không tốt khi thông số mô hình thay đổi hoặc có nhiễu. Nhóm tác giả Shailaja Kurode, Asif Chalaga, B. Bandyopadhyay đã sử dụng bộ điều khiển trượt [7] [8] [9] cho hệ và có kết quả tốt nhưng do đặc tính điều khiển trượt nên có hiện tượng chattering gây ảnh hưởng đến phần cứng hệ thống. Năm 2007, Lon-Chen Hung và Hung Yuan Chung ở khoa kỹ thuật điện tử đại học quốc gia Đài Loan đã giới thiệu kỹ thuật điều khiển trượt phân ly dùng mạng nơ-rôn DNNSMC (Decoupled Neuron Network Sliding Mode Control) cho các hệ thống phi tuyến bậc bốn. Tính hiệu quả của bộ điều khiển đã được kiểm chứng thông qua việc mô phỏng trên đối tượng con lắc đơn. Trên cơ sở đó, nhóm tác giả Nguyễn Đức Minh, Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Đức Thành đã dùng bộ điều khiển ANSMC [10], hiện tượng chattering đã được khắc phục (không còn tồn tại ở đáp ứng của u), hệ thống bền với sai số mô hình và nhiễu; Nhưng trong phương pháp này vẫn cần phải biết thông số của hệ thống mới thiết kế được bộ điều khiển. Nhóm tác giả Xuebo Yang, Xiaolong Zheng [11] đưa ra và thực nghiệm luật điều khiển thích nghi bền vững dùng nơ-ron, kết hợp với bộ hoạch định độ lợi đạt kết quả chất lượng điều khiển tốt, bền vững với nhiễu nhưng các tham số cần chọn để thử sai khá nhiều. Một số phương pháp điều khiển thích nghi cho hệ cũng được nghiên cứu trong [12] [13] [14] [15][10], các đã cho kết quả có tính ứng dụng cao khi điều khiển hệ dưới bậc. 5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mô hình con lắc ngược quay Phần này mô tả việc xây dựng mô hình con lắc ngược quay trên mô phỏng cũng như thực nghiệm và các vấn đề liên quan Mô hình con lắc ngược quay với phần cứng được xây dựng dựa vào các tham số tham khảo từ các mô hình đã được công bố chạy thực nghiêm thành công, điển hình là mô hình của hang QUANSER [16], và các mô hình đã được thực hiện. Mô hình này chưa bao gồm thông số cơ cấu chấp hành là động cơ tạo moment Mô hình phần cứng Encoder PCI 6221 Rotary Encoder Inverted Pendulum Motor DC Amplifier PC driver Hình 2.1 Cấu trúc mô hình dùng cho thực nghiệm Cấu trúc mô hình được dung để thực nghiệm trong luận văn như hinh. Phần cứng được sử dụng bao gồm: • Máy tính PC cài đặt Matlab 2013b thực hiện các thuật toán điều khiển thông qua công cụ Real-Time Windows Target trong Matlab • Board thu thập dữ liệu (DAQ) PCI 6221 của National Instrument • Động cơ DC Minertia 27V/70W 2000RPM kèm encoder 240 xung/vòng. Khi dùng bộ QEI đọc giá trị Encoder và dùng phương pháp lấy đạo hàm để ra vận tốc góc, sai số góc và vận tốc góc khi lấy mẫu ở 100Hz ±0.00654 𝑟𝑎𝑑 và ±0.654 𝑟𝑎𝑑/𝑠. 6
• Mạch điều khiển động cơ có thông số chịu tải 300W (25V, 15A) • Encoder 1000 xung/vòng thu thập dữ liệu vị trí tay máy, có sai số góc và sai số vận tôc tại thời gian lấy mẫu ±0.00157 rad và ±0.157 rad/s. Các thuật toán điều khiển hệ thống sẽ được mô phỏng theo mô hình và thông số được trình bày ở phần sau. Khi thực hiện với mô hình thực đã thi công sẽ được điều chỉnh các thông số cho phù hợp. Phương trình động lực học của hệ thống Mô hình toán hệ con lắc ngược quay được xây dựng theo phương trình Euler – Lagrange như sau Hình 2.2 Sơ đồ mô tả chuyển động con lắc ngược quay 7